上海市燃煤机组烟气中气态汞排放量计算

史跃龙, 胡雄星, 吴晓蔚

(上海市环境监测中心, 上海 200235)

在生态系统中,汞属于非生命必需、高毒的微量重金属元素,是国际组织及各国政府优先控制的环境污染物。自20世纪中叶以来,环境中汞的源汇和控制一直是国内外学者研究的热点。汞的排放主要来自于燃煤排放、有色金属冶炼、垃圾焚烧、水泥制造、氯碱生产、小金矿开采等领域[1-7]。

2011年7月29日,原环境保护部和国家质量监督检验检疫总局发布的GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》中,首次包括了燃煤锅炉烟气中汞的排放标准,确定的排放限值为0.03 mg/m3。该标准于2015年1月1日起实施[8]。2016年1月29日,原上海市环境保护局和上海市质量技术监督局发布并实施DB 31/963—2016《燃煤电厂大气污染物排放标准》,规定汞的排放限值为0.03 mg/m3[9]。

近年来,随着《上海市大气污染防治行动计划》的实施,上海市的燃煤工业锅炉逐渐被天然气锅炉替代。虽然燃料煤消耗量呈逐年下降趋势,但燃煤电厂燃料煤的使用率逐渐升高[10],2018年已达到99.31%,未来上海市燃料煤将全部用于燃煤电厂。截至2018年,上海市发电机组装机容量共2 788万kW,其中燃煤电厂机组装机容量为1 497.4万kW,占总装机容量的53.7%。

1 试验方法

1.1 试验样本选取

本文选取上海市35台燃煤机组,装机容量为1 495万kW,占全市燃煤机组装机容量的99.8%。除了2台装机容量为2.4万kW的机组因无法获取汞自行监测数据未纳入外,其他燃煤机组均纳入本研究。将装机容量作为机组编号,机组的基本情况如表1所示。

表1 燃煤机组基本情况

1.2 采样与分析方法

燃煤电厂中,对汞的采样和分析方法有很多种[11]。本文使用的采样和分析方法包括:GBT 16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》、安大略法(Ontario Hydro Method,OHM)、HJ 917—2017《固定污染源废气气态汞的测定 活性炭吸附热裂解原子吸收分光光度法》(检出限为0.1 μg/m3)、HJ 543—2009《固定污染源废气汞的测定 冷原子吸收分光光度法》(检出限为2.5 μg/m3)和“原子荧光分光光度法”[12](检出限为0.003 μg/m3)。

其中,OHM的测量结果为气态汞和颗粒态汞的加和,其他采样和分析方法的监测结果均为气态汞,故本文将OHM测量的颗粒态汞扣除。

1.3 数据来源

根据排污许可证的管理要求,上海市的燃煤电厂已全部开展自行监测,因此气态汞排放浓度使用燃煤电厂自行监测数据,烟气量数据使用经过审核的燃煤电厂在线监测数据,燃料煤消耗量使用2017年和2018年度环境统计数据。

除手工监测外,P8U1和P8U4机组装有汞在线监测。本文将对在线监测计算结果与手工监测结果进行对比。

1.4 计算方法

利用气态汞排放浓度和烟气量数据计算单台机组的气态汞排放量。HJ 820—2017《排污单位自行监测技术指南 火力发电及锅炉》规定,燃煤电厂汞排放监测频次为每季度一次[13-14],则机组的年排放量为4个季度排放量的加和。排放浓度低于检出限时,按照检出限的1/2计算。由于部分机组在监测时处于停产状态,因此使用后一个季度的排放浓度数据代替。

采用燃煤电厂汞排放量和燃料煤消耗量数据计算气态汞排放系数,最终结果为2017年和2018年的平均值。利用计算出的排放系数和电厂燃料煤消耗量,计算上海市燃煤烟气气态汞排放量。

2 结果与讨论

2.1 气态汞排放浓度和排放系数

35台机组的气态汞排放浓度如表2所示。由表2可以看出,P9U2机组的排放浓度最高,为25.70 μg/m3,其次是P9U1机组和P1U1机组,分别为25.10 μg/m3和9.84 μg/m3。35台机组的排放浓度平均值为1.43 μg/m3。P9U2机组和P9U1机组来自同一家电厂,其排放浓度明显高于其他机组,可能与燃料煤煤质、处理设施、机组负荷等因素有关。

表2 燃煤机组气态汞排放浓度 单位:μg/m3

有2家发电厂的4台机组(P4U1,P4U2,P4U3,P11U1)排放浓度最小值均为0.02 μg/m3,与其他机组相比明显偏小。主要原因在于这2家电厂的委托监测单位使用原子荧光分光光度法进行分析,该方法检出限极低,仅为0.003 μg/m3,在机组未检出的情况下检出限的高低会影响机组排放浓度。

从监测结果来看,所有机组的气态汞排放浓度均能达到国家标准和地区标准中0.03 mg/m3的排放限值。

2017年和2018年,35台燃煤机组的气态汞排放系数统计结果如表3所示。

表3 燃煤机组气态汞排放系数统计结果

2.2 气态汞排放量

由表3中的数据可计算得出,2017年和2018年单位原料排放系数平均值为0.013 5 μg/g,单位产品排放系数平均值为6.620 μg/kWh。利用单位原料排放系数和单位产品排放系数分别计算出了2013—2018年35台燃煤机组的气态汞排放量,如图1所示。

图1 燃煤机组的气态汞排放量

由图1可以看出,由单位原料排放系数与单位产品排放系数计算所得结果的差异并不大,使用单位产品排放系数计算所得的结果稍高(假设检验的概率p>0.05)。考虑到上海市燃煤机组除发电外还生产较少量的蒸汽,使用单位产品排放系数计算时并未纳入蒸汽产量,因此使用单位原料排放系数计算出的排放量数据更为合理。

由单位原料排放系数计算所得的排放量结果来看,2013年上海市燃煤机组的气态汞排放量最高,为521.7 kg,2013—2018年气态汞排放量平均值为451.6 kg,2014—2018年气态汞排放量较为平稳。由单位产品排放系数计算所得结果来看,2013年气态汞排放量也是最高,为541.8 kg。

2.3 自行监测与在线监测结果比较

35台机组中,P8U1机组和P8U4机组装有汞排放在线监测设备。统计2017年和2018年这2台机组的气态汞排放浓度自行监测数据和在线监测数据,结果如图2所示。其中,2017年第2季度,2台机组因停产无自行监测数据。

由图2可以看出,P8U1机组的两项数据存在较大差异(p<0.01),两年内机组自行监测数据的平均值为1.97 μg/m3,在线监测数据平均值为0.95 μg/m3。P8U4机组的两项数据也有差异(p<0.05),两年内自行监测数据的平均值为1.51 μg/m3,在线监测数据的平均值为13.21 μg/m32018年第1季度和第2季度在线监测数据明显偏高,分别为35.52 μg/m3和60.38 μg/m3。这可能与在线设备的运行维护不当有关。

图2 2台机组的汞排放自行监测数据与在线监测数据比较

3 结 论

(1) 利用燃煤机组气态汞排放浓度自行监测数据,计算出上海市燃煤电厂2013—2018年气态汞排放量平均值为451.6 kg。

(2) 燃煤机组的汞在线监测数据与自行监测数据存在明显差异。这可能与在线监测运行维护不到位有关。下一步应明确燃煤电厂汞在线监测运行维护的相关细则,比对监测规范做进一步研究,后期可考虑使用在线监测数据计算汞排放量。

(3) 燃煤电厂汞排放监测中不同分析方法的检出限也不相同,对汞的排放量计算会产生一定的影响。除了分析方法外,燃料煤煤质、处理设施、机组负荷等因素也可能会影响汞的产生和排放。